水下基础及保护架设计与安装应用

吴 非， 慈洪生， 贾 旭， 黄 俊

(中海油研究总院，北京 100028)

水下基础及保护架设计与安装应用

吴 非， 慈洪生， 贾 旭， 黄 俊

(中海油研究总院，北京 100028)

随着海上油气田开发水深的不断加大，水下生产设施已广泛应用。为了保护水下生产设施的生产安全，水下基础及水下保护架的作用极为重要，并需要根据不同的工况进行相应的设计。通过中国南海西部深水项目，进行方案比选来选择最优的水下基础及保护架的设计及安装方法。

水下生产系统；水下基础；保护架；设计；安装

0 引 言

随着油田开发水深不断加大，水下生产系统已经越来越广泛地应用。水下生产系统是由水下井口、采油树、管汇、跨接管、海底管线等不同的水下生产设施组成的深水油田开发系统。水下生产系统在深水油田开发中优势较大但相对脆弱，因此为了保证水下设备设施的安全安装、生产与作业，水下生产系统的基础及保护架的设计变得尤为重要。由于水下生产设施包括各种形式，因此水下生产系统的基础及保护架的形式也需要根据不同的设备设施的具体情况进行设计。

中国南海海域某项目，所在位置最大水深约140m，新建的水下生产系统包括PLEM、 SUTU和水下采油树等形式。同时该项目还需对海底管道进行带压开孔作业，为保证生产作业的安全，开孔位置的管汇和阀门等设施也需要进行安装和保护，因此该项目需要根据不同的水下设施，研究水下基础和保护架的设计和安装方案。

本文针对该项目，探讨水下基础及保护架的设计和安装方法。通过对带压开孔处及水下三通处的水下保护架形式、基础形式、保护策略、清管三通及阀门安放形式及阀门操作方式进行方案比选，根据项目实际要求，提出了新颖的设计方案和安装方案，为类似设施的开发与设计积累了经验。

1 方案比选

该项目所在位置最大水深约140m。由于需要对现有海管进行带压开孔并与新建海管进行连接，故带压开孔处需新布置带压开孔设备、球阀及水下三通等设备。水下基础及保护架除需要对各设备进行保护外，还需要根据水下设施操作要求，对保护架进行相应设计。根据技术可行性、健康安全环保(HSE)风险、工程建设成本及操作成本等评判标准并针对项目自身特点，确定出最优方案。

1.1 保护架形式比选

水下生产设施保护架是根据水下渔网拖曳偶然工况对水下设备进行保护的结构。水下保护架设计载荷为水下渔网拖曳力(见图1)。针对设计载荷水下保护架的形式可分为拖网可滑过设计(见图2)和非拖网可滑过设计(见图3)。

图1 渔网拖曳力示意图Fig.1 Fishing-gear load

图2 拖网可滑过设计Fig.2 Trawl-over design

图3 非拖网可滑过设计Fig.3 Design with which the trawl cannot glide

拖网可滑过设计的优点是对于作用在保护架上的拖网荷载是有限的，有利于保护结构物；非拖网可滑过设计的优点是结构形式简单，便于设计与建造。两者的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本的对比结果如表1所示。

表1 保护架形式的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本对比

综合考虑不同设计的优点及对比结果，在本项目中保护架选择拖网可滑过设计。

1.2 水下基础形式比选

水下基础主要是针对水下抗滑移、抗倾覆等工况进行设计。水下基础的形式可分为防沉板基础(见图2)及桩基础(见图3)两种。以下对打入桩基础与防沉板基础进行方案比选。

防沉板基础的优点是结构形式简单并且安装方便，但是对于土壤的要求较高；打入桩基础的优点是保护架自身重量轻，对安装船舶的吊装能力要求低。两者的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本的对比结果如表2所示。

表2 水下基础形式的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本对比

综合考虑不同设计的优点及对比结果，在本项目中基础形式选择为防沉板基础。

1.3 保护架策略比选

该项目需要对现有海管进行带压开孔，且需要新设置带压开孔及清管三通等设备。对于带压开孔及清管三通共用保护架(见图4)，还是带压开孔设备与清管三通独立保护(见图5)进行方案比选。

图4 带压开孔及清管三通共同保护Fig.4 Hot-tapping facilities and wye protected together

图5 带压开孔及清管三通分别保护Fig.5 Hot-tapping facilities and wye protected separately

共同保护方案的优势是可以减低施工的成本；分别保护方案的优势是由于保护罩相对较小，对施工船舶的能力要求较低。两者的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本的对比结果如表3所示。

表3 保护方案技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本对比

虽然带压开孔及清管三通共同保护时的工程建设成本较低，但是由于带压开孔处放置水下基础及保护结构需要进行挖坑处理，此方案保护结构较大，需要处理的土方量增大，造成费用增高，因此综合考虑优缺点及上述原因后，本项目中采取带压开孔及清管三通分别保护的保护策略。

1.4 Y型三通布置方式比选

新建海管需设置清管三通并与其连接，故对清管三通及阀门的安放形式是直接放在泥面上(见图6)或成橇放置(见图7)两种方案进行比选。

Y型三通直接布置在泥面上的优势是保护架可以做得更小以更方便安装，但是对于土壤要求高；而Y型三通成橇布置的优势是对于土壤的要求较低。两者的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本的对比结果如表4所示。

图6 Y型三通直接布置在泥面上Fig.6 Arrangement of the wye directly on soil

图7 Y型三通成橇布置Fig.7 Arrangement of the wye with sled

设计技术可行性健康安全环保风险工程建设成本操作成本布置在泥面可行相当较低相当成橇布置可行相当较高相当

尽管将Y型三通直接布置在泥面上的方案的工程成本较低，但是由于设备较重，土壤条件相对较差，直接将Y型三通布置在泥面上可能会造成承载力不足从而导致沉降。故在本项目中对于Y型三通的布置选择为成橇布置。

1.5 阀门操作方式比选

由于带压开孔位置及清管三通位置均需设置阀门，考虑到水深较深阀门操作难度较大，对阀门的操作方式为顶部操作(见图8)还是侧面操作(见图9)进行方案比选。

图8 阀门顶部操作Fig.8 Operating on the top of the valve

图9 阀门侧面操作Fig.9 Operating on one side of the valve

阀门顶部操作的优势是潜水员不用进入保护罩内部便可以对阀门进行操作，有利于提高安全性；而阀门侧面操作可在设计时将保护罩的高度进行一定程度的降低，从而对整体结构的稳定性有一定的提高。两者的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本的对比结果如表5所示。

表5 阀门操作方式的技术可行性、健康安全环保风险、工程建设成本及操作成本对比

综合考虑人员操作安全和上述对比结果，同时考虑到即使按照顶部操作进行设计，防沉板基础也能够提供足够的稳定性，因此在本项目中选择阀门顶部操作的方案。

2 带压开孔及水下三通保护结构设计与安装应用

2.1 保护罩结构设计

带压开孔及水下三通处保护罩的目的是保护设备不受渔网拖曳的影响。根据上一节中方案比选的结果，保护罩将按照渔网可滑过进行设计，并且在顶部设置顶板，防止渔网所可能造成的各种影响。除此之外保护架的设计还应遵循如下原则：

(1) 尽可能方便后期操作，并且在合适的位置设置拖航过程中所需要的固定点，以保证稳定性。

(2) 在合理位置设置吊点，以方便后期安装操作。

(3) 顶板设计成可开启模式以方便后期阀门连接及操作要求。

带压开孔保护罩结构形式如图10所示，清管三通的保护架形式如图11所示。

图10 带压开孔保护架Fig.10 Hot-tapping protection structure

图11 清管三通保护架Fig.11 Wye protection structure

2.2 防沉板基础结构设计

水下基础在水下生产系统中的作用是提供足够的稳定性来抵抗滑移和倾覆等的影响。根据上一节中方案比选的结果，本项目将使用防沉板基础形式。防沉板基础的设计将综合考虑不同项目要求及土壤的影响；管汇、浪、流、地震、渔网拖曳等荷载的影响也应考虑到防沉板基础的设计中去。

防沉板基础的大小主要取决于是否能够提供足够的摩擦力来抵抗滑移和倾覆等工况。由于是考虑摩擦力的影响，所以设备的重量、保护罩的重量及土壤的各项参数都需要在设计中考虑。

防沉板基础通过重力就位。为保证防沉板基础有足够的刚度来抵抗建造及运输过程中各种荷载的影响，板的厚度不应小于10mm。由于防沉板基础是通过重力就位，在正面的板上应设置一定数量的排水孔，如图12所示。

图12 防沉板排水孔Fig.12 Vent holes on the mudmat

由于防沉板基础表面积较大，所以排水孔的数量及排水孔开孔的大小的决定因素有两个：

(1) 保证安装锁具在部署过程中不会由于冲击荷载造成松弛。

(2) 保证在通过重力就位的过程中，水能够足够快地通过排水孔排出。排水孔的尺寸不应过大，以保证建造过程中人员的安全，故排水孔的直径设置为100mm。带压开孔的防沉板基础如图13所示。

图13 带压开孔防沉板基础Fig.13 Mudmat foundation for hot-tapping

2.3 接口问题

除了自身以外，水下保护结构的设计还需要考虑水下机器人(ROV)、人员、船舶等接口问题。

2.3.1ROV接口

水下保护结构设计需要考虑ROV接口的影响：

(1) 保证ROV操作可以有效且方便地进行。

(2) 设计足够的ROV抓臂，保证ROV在操作时的稳定性。

(3) 保证与ROV操作相关的设计在泥面1.5m以上，防止土壤扰动对ROV操作的影响。

2.3.2人员接口

人员的安全问题在任何项目中都是重中之重。项目应考虑在建造、施工及后期操作时的人员的安全性。需要在结构适当位置设置扶手、走道等以避免人员在建造及施工过程中的坠落等。还需考虑潜水员在操作时的方便，避免安全事故。

2.3.3船舶接口

水下结构的设计应考虑船舶在运输时及安装时的影响。因此结构物的大小及重量等指标均需控制在船舶能力的范围之内。需要给施工及运输船舶留有足够的余量等。

2.4 安装

带压开孔及水下三通保护结构的安装分为6个步骤进行，如图14所示。

图14 水下生产系统安装流程Fig.14 Installation steps for subsea production system

第一步和第二步为带压开孔设备及阀门等的布置安装。然后进行带压开孔保护结构的安装。第四步为清管三通防沉板的安装。在安装好清管三通的防沉板后对管线进行连接，最后安装清管三通的保护罩。

在完成带压开孔设备布置及阀门等的布置安装后，对带压开孔保护结构进行安装。带压开孔结构安装的精度要求如下：

(1) 重心应控制在0.5m×0.5m的正方形区域内；

(2) 倾斜角度应控制在±2°以内；

(3) 接触角度应控制在±2°以内；

(4) 裙板应完全进入土壤。

在完成带压开孔保护结构的安装后，需要对清管三通基础进行安装，清管三通保护架的安装则在管线布置完成后进行。清管三通保护架通过在清管三通基础上的导向与基础对接完成。清管三通保护结构安装的精度要求如下：

(1) 重心应控制在1.5m×1.5m的正方形区域内;

(2) 倾斜角度应控制在±2°以内;

(3) 接触角度应控制在±2°以内。

除上述要求外，吊绳的角度还应大于60°。另外，考虑到土壤平整度的影响，如果土壤的斜度超过2°，则需要对土壤先进行处理，再进行施工作业。

3 结 语

随着海洋石油工程技术的不断发展，水下生产设施已广泛应用。水下基础和保护架的设计和安装在进行结构校核的同时，还需要考虑土壤、船舶、人员操作等多种因素的影响。因此，水下基础及保护结构的设计和安装方案需考虑上述多方面的因素，并要根据不同工况的需求与特点进行相应的设计研究，从而在保护水下生产设施安全生产的同时，确保水下结构物安装及后期水下操作的安全性。

[1] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe [S]. 2008.

[2] American Petroleum Institute. API RP 2A. Recommended practice for planning， designing and constructing fixed offshore platforms： working stress design (21st Edition) [S]. 2007.

[3] American Petroleum Institute. API Spec 2B. Specification for fabricated structural steel pipe (6th Edition) [S]. 2002.

[4] American Petroleum Institute. API RP 2GEO. Geotechnical and foundation design considerations [S]. 2011.

DesignandInstallationofSubseaFoundationandProtectionFrame

WU Fei, CI Hong-sheng, JIA Xu, HUANG Jun

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

With the increase in water depth of oilfield development, subsea production system has been applied widely. Subsea foundation structure and protection frame play an important role in subsea production system and vary depending on the working conditions, etc. We aim to find the best design and installation method with comparisons and choose the scheme based on the specific project of western South China Sea.

subsea production system; subsea foundation; protection frame; design; installation

TE54

A

2095-7297(2017)04-0221-06

2017-03-21

吴非(1980—)，男，硕士，主要从事海洋工程方面的研究。